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1、PCB全制程PCB全制程PCB制造流程及说明 一. PCB演变 1.1 PCB扮演的角色 PCB的功能为提供完成第一层级构装的组件与其它必须的电子电路零件接 合的基地以组成一个具特定功能的模块或成品所以PCB在整个电子产 品中扮演了整合连结总其成所有功能的角色也因此时常电子产品功能故 障时最先被质疑往往就是PCB图1.1是电子构装层级区分示意 1.2 PCB的演变 1.早于1903年Mr. Albert Hanson首创利用线路(Circuit)观念应用于电话交换机系统它是用金属箔予以切割成线路导体将之黏着于石蜡纸上上面同样贴上一层石蜡纸成了现今PCB的机构雏型见图1.2 2. 至1936年D

2、r Paul Eisner真正发明了PCB的制作技术也发表多项专利而今日之print-etch (photo image transfer)的技术就是沿袭其发明而来的 1.3 PCB种类及制法 在材料层次制程上的多样化以适 合 不同的电排版打带等作业即可进行制作但近年由于电子产品日趋轻薄短小PCB的制造面临了几个挑战:1薄板2高密度3高性能4高速 ( 5 ) 产品周期缩短6降低成本等以往以灯桌笔刀贴图及照相机做为制前工具现在己被计算机工作软件及激光绘图机所取代过去以手工排版或者还需要Micro-Modifier来修正尺寸等费时耗工的作业今天只要在CAM(Computer Aided Manuf

3、acturing)工作人员取得客户的设计资料可能几小时内就可以依设计规则或DFM(Design For Manufacturing)自动排版并变化不同的生产条件同时可以output 如钻孔成型测试治具等资料 2.2.相关名词的定义与解说 A Gerber file 这是一个从PCB CAD软件输出的数据文件做为光绘图语言1960年代一家名叫Gerber Scientific现在叫Gerber System专业做绘图机的美国公司所发展出的格式尔后二十年行销于世界四十多个国家几乎所有CAD系统的发展也都依此格式作其Output Data直接输入绘图机就可绘出Drawing或Film因此Gerber

4、 Format成了电子业界的公认标准 B. RS-274D 是Gerber Format的正式名称正确称呼是EIA STANDARD RS-274D(Electronic Industries Association)主要两大组成1.Function Code如G codes, D codes, M codes 等2.Coordinate data定义图像imaging C. RS-274X 是RS-274D的延伸版本除RS-274D之Code 以外包括RS-274X Parameters或称2 资料收藏 PCB收藏天地 PCB制造流程及说明 整个extended Gerber format它

5、以两个字母为组合定义了绘图过程的一些特性 D. IPC-350 IPC-350是IPC发展出来的一套neutral format,可以很容易由PCB CAD/CAM产生,然后依此系统,PCB SHOP 再产生NC Drill Program,Netlist,并可直接输入Laser Plotter绘制底片. E. Laser Plotter 见图2.1,输入Gerber format或IPC 350 format以绘制Artwork F. Aperture List and D-Codes 见表 2.1 及图2.2,举一简单实例来说明两者关系, Aperture的定义亦见图2.1 2.3.制前设

6、计流程 2.3.1客户必须提供的数据 电子厂或装配工厂委托PCB SHOP生产空板Bare Board时必须提供下列数据以供制作见表料号数据表-供制前设计使用. 上表数据是必备项目有时客户会提供一片样品, 一份零件图一份保证书保证制程中使用之原物料耗料等不含某些有毒物质等这些额外数据厂商须自行判断其重要性以免误了商机 2.3.2 .资料审查 面对这么多的数据制前设计工程师接下来所要进行的工作程序与重点如下所述 A. 审查客户的产品规格是否厂内制程能力可及审查项目见承接料号制程能力检查表. B.原物料需求BOM-Bill of Material 根据上述资料审查分析后由BOM的展开来决定原物料的

7、厂牌种类及规格主要的原物料包括了基板Laminate胶片Prepreg铜箔Copper foil防焊油墨Solder Mask文字油墨Legend等另外客户对于Finish的规定,将影响流程的选择,当然会有不同的物料需求与规格例如软硬金喷钖OSP等 表归纳客户规范中可能影响原物料选择的因素 3 资料收藏 PCB收藏天地 PCB制造流程及说明 C. 上述乃属新数据的审查, 审查完毕进行样品的制作.若是旧资料,则须Check有无户ECO (Engineering Change Order) .再进行审查. D.排版 排版的尺寸选择将影响该料号的获利率因为基板是主要原料成本排版最佳化可减少板材浪费而

8、适当排版可提高生产力并降低不良率 有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向 一般制作成本直间接原物料约占总成本3060%包含了基板胶片铜箔防焊干膜钻头重金属铜钖铅化学耗品等而这些原物料的耗用直接和排版尺寸恰当与否有关系大部份电子厂做线路Layout时会做连片设计以使装配时能有最高的生产力因此PCB工厂之制前设计人员应和客户密切沟通以使连片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL时可有最佳的利用率要计算最恰当的排版须考虑以下几个因素 a.基材裁切最少刀数与最大使用率裁切方式与磨边处理须考虑进去 b.铜箔胶片与干膜的使用尺寸与工作PANEL的尺寸须

9、搭配良好以免浪费 c.连片时pece间最小尺寸以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸 d.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸. e.不同产品结构有不同制作流程及不同的排版限制例如金手指板其排版间距须较大且有方向的考量其测试治具或测试次序规定也不一样 较大工作尺寸可以符合较大生产力但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升如何取得一个平衡点设计的准则与工程师的经验是相当重要的 2.3.3 着手设计 所有数据检核齐全后开始分工设计 A. 流程的决定(Flow Chart) 由数据审查的分析确认后设计工程师就要决定最适切的流程步骤 传统多层板的制作流程可分作两个部分:内层制作和外层制作.以下

10、图标几种代 表性流程供参考.见图2.3 与 图2.4 B. CAD/CAM作业 4 资料收藏 PCB收藏天地 PCB制造流程及说明 a. 将Gerber Data 输入所使用的CAM系统此时须将apertures和shapes定义好目前己有很多PCB CAM系统可接受IPC-350的格式部份CAM系统可产生外型NC Routing 档不过一般PCB Layout设计软件并不会产生此文件 有部份专业软件或独立或配合NC Router,可设定参数直接输出程序. Shapes 种类有圆正方长方,亦有较复杂形状如内层之thermal pad等着手设计时Aperture code和shapes的关连要先

11、定义清楚否则无法进行后面一系列的设计 b. 设计时的Check list 依据check list审查后当可知道该制作料号可能的良率以及成本的预估 c. Working Panel排版注意事项 PCB Layout工程师在设计时为协助提醒或注意某些事项会做一些辅助的记号做参考所以必须在进入排版前将之去除下表列举数个项目及其影响 排版的尺寸选择将影响该料号的获利率因为基板是主要原料成本排版最佳化可减少板材浪费而适当排版可提高生产力并降低不良率 有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向 一般制作成本直间接原物料约占总成本3060%包含了基板胶片铜箔防

12、焊干膜钻头重金属铜钖铅金化学耗品等而这些原物料的耗用直接和排版尺寸恰当与否有关系大部份电子厂做线路Layout时会做连片设计以使装配时能有最高的生产力因此PCB工厂之制前设计人员应和客户密切沟通以使连片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL时可有最佳的利用率要计算最恰当的排版须考虑以下几个因素 1.基材裁切最少刀数与最大使用率裁切方式与磨边处理须考虑进去 2.铜箔胶片与干膜的使用尺寸与工作PANEL的尺寸须搭配良好以免浪费 3.连片时piece间最小尺寸以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸 4.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸. 5不同产品结构有不同制作流程及不同的排版限制例如金手

13、指板其排版间距须较大且有方向的考量其测试治具或测试次序规定也不一样 5 资料收藏 PCB收藏天地 PCB制造流程及说明 较大工作尺寸可以符合较大生产力但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升如何取得一个平衡点设计的准则与工程师的经验是相当重要的 进行working Panel的排版过程中尚须考虑下列事项以使制程顺畅表排版注意事项 d. 底片与程序 底片Artwork 在CAM系统编辑排版完成后配合D-Code档案而由雷射绘图机Laser Plotter绘出底片所须绘制的底片有内外层之线路外层之防焊以及文字底片 由于线路密度愈来愈高容差要求越来越严谨因此底片尺寸控制是目前很多PCB厂的一大

14、课题表是传统底片与玻璃底片的比较表玻璃底片使用比例已有提高趋势而底片制造商亦积极研究替代材料以使尺寸之安定性更好例如干式做法的铋金属底片. 一般在保存以及使用传统底片应注意事项如下 1.环境的温度与相对温度的控制 2.全新底片取出使用的前置适应时间 3.取用传递以及保存方式 4.置放或操作区域的清洁度 程序 含一,二次孔钻孔程序以及外形Routing程序其中NC Routing程序一般须另行处理 e. DFMDesign for manufacturing .PCB layout 工程师大半不太了解PCB制作流程以及各制程需要注意的事项所以在Lay-out线路时仅考虑电性逻辑尺寸等而甚少顾及其

15、它PCB制前设计工程师因此必须从生产力良率等考量而修正一些线路特性如圆形接线PAD修正成泪滴状见图2.5,为的是制程中PAD一孔对位不准时尚能维持最小的垫环宽度 但是制前工程师的修正有时却会影响客户产品的特性甚或性能所以不得不谨慎PCB厂必须有一套针对厂内制程上的特性而编辑的规范除了改善产品良率以及提升生产力外也可做为和PCB线路Lay-out人员的沟通语言见图2.6 . 6 资料收藏 PCB收藏天地 PCB制造流程及说明 C. Tooling 指AOI与电测Netlist档.AOI由CAD reference文件产生AOI系统可接受的数据且含容差而电测Net list档则用来制作电测治具Fi

16、xture 2.4 结语 颇多公司对于制前设计的工作重视的程度不若制程,这个观念一定要改,因为随着电子产品的演变,PCB制作的技术层次愈困难,也愈须要和上游客户做最密切的沟通,现在已不是任何一方把工作做好就表示组装好的产品没有问题,产品的使用环境, 材料的物,化性, 线路Lay-out的电性, PCB的信赖性等,都会影响产品的功能发挥.所以不管软件,硬件,功能设计上都有很好的进展,人的观念也要有所突破才行. 三. 基板 印刷电路板是以铜箔基板 Copper-clad Laminate 简称CCL 做为原料而制造的电器或电子的重要机构组件,故从事电路板之上下游业者必须对基板有所了解:有那些种类的

17、基板,它们是如何制造出来的,使用于何种产品, 它们各有那些优劣点,如此才能选择适当的基板.表3.1简单列出不同基板的适用场合. 基板工业是一种材料的基础工业 是由介电层树脂 Resin 玻璃纤维 Glass fiber 及高纯度的导体 (铜箔 Copper foil )二者所构成的复合材料 Composite material其所牵涉的理论及实务不输于电路板本身的制作 以下即针对这二个主要组成做深入浅出的探讨. 3.1介电层 3.1.1树脂 Resin 3.1.1.1前言 目前已使用于线路板之树脂类别很多,如酚醛树脂 Phonetic 环氧树脂 Epoxy 聚亚醯胺树脂 Polyamide 聚

18、四氟乙烯Polytetrafluorethylene简称PTFE或称TEFLONB一三氮 树脂Bismaleimide Triazine 简称 BT 等皆为热固型的树脂Thermosetted Plastic Resin 3.1.1.2 酚醛树脂 Phenolic Resin 是人类最早开发成功而又商业化的聚合物是由液态的酚phenol及液态的甲醛Formaldehyde 俗称Formalin 两种便宜的化学品 在酸性或碱性的催化条件下发生立体架桥 Crosslinkage 的连续反应而硬化成为固态的合成材料其反应化学式见图3.1 1910 年有一家叫 Bakelite 公司加入帆布纤维而做成

19、一种坚硬强固绝缘性又好的材7 资料收藏 PCB收藏天地 PCB制造流程及说明 料称为 Bakelite俗名为电木板或尿素板 美国电子制造业协会(NEMA-Nationl Electrical Manufacturers Association) 将不同的组合冠以不同的编号代字而为业者所广用, 现将酚醛树脂之各产品代字列表如表 NEMA 对于酚醛树脂板的分类及代码 表中纸质基板代字的第一个 X 是表示机械性用途第二个 X 是表示可用电性用途 第三个 X 是表示可用有无线电波及高湿度的场所 P 表示需要加热才能冲板子Punchable 否则材料会破裂 C 表示可以冷冲加工 cold punchab

20、le FR 表示树脂中加有不易着火的物质使基板有难燃 (Flame Retardent) 或抗燃(Flame resistance) 性 纸质板中最畅销的是XXXPC及FR-2前者在温度25 以上,厚度在.062in以下就可以冲制成型很方便后者的组合与前完全相同只是在树脂中加有三氧化二锑增加其难燃性以下介绍几个较常使用纸质基板及其特殊用途: A 常使用纸质基板 a. XPC Grade通常应用在低电压低电流不会引起火源的消费性电子产品 如玩具手提收音机电话机计算器遥控器及钟表等等UL94对XPC Grade 要求只须达到HB难燃等级即可 b. FR-1 Grade电气性难燃性优于XPC Gra

21、de广泛使用于电流及电压比XPC Grade稍高的电器用品如彩色电视机监视器VTR家庭音响洗衣机及吸尘器等等UL94要求FR-1难燃性有V-0V-1与V-2不同等级不过由于三种等级板材价位差异不大而且考虑安全起见目前电器界几乎全采用V-0级板材 c. FR-2 Grade在与FR-1比较下除电气性能要求稍高外其它物性并没有特别之处近年来在纸质基板业者努力研究改进FR-1技术FR-1与FR-2的性质界线已渐模糊,FR-2等级板材在不久将来可能会在偏高价格因素下被FR-1 所取代 B. 其它特殊用途 a. 铜镀通孔用纸质基板 主要目的是计划取代部份物性要求并不高的FR-4板材以便降低PCB的成 本

22、. b. 银贯孔用纸质基板 时下最流行取代部份物性要求并不很高的FR-4作通孔板材就是银贯孔用 纸质基板印刷电路板两面线路的导通可直接借由印刷方式将银胶(Silver Paste) 涂布于孔壁上经由高温硬化即成为导通体不像一般FR-4板材的铜镀通 孔需经由活化化学铜电镀铜锡铅等繁杂手续 b-1 基板材质 1) 尺寸安定性 除要留意XY轴(纤维方向与横方向)外更要注意Z轴(板材厚度方向)因热胀冷缩及加热减量因素容易造成银胶导体的断裂 2) 电气与吸水性 许多绝缘体在吸湿状态下降低了绝缘性以致提供金属在电位差趋动力下 发生移行的现象FR-4在尺寸安性电气性与吸水性方面都比FR-1及XPC 佳所以生

23、产银贯孔印刷电路板时要选用特制FR-1及XPC的纸质基板 .板材 8 资料收藏ttp:/ PCB收藏天地 PCB制造流程及说明 b.-2 导体材质 1) 导体材质 银及碳墨贯孔印刷电路的导电方式是利用银及石墨微粒镶嵌在聚合体内 藉由微粒的接触来导电而铜镀通孔印刷电路板则是借由铜本身是连贯的 结晶体而产生非常顺畅的导电性 2) 延展性 铜镀通孔上的铜是一种连续性的结晶体有非常良好的延展性不会像银 碳墨胶在热胀冷缩时容易发生界面的分离而降低导电度 3) 移行性 银铜都是金属材质容易发性氧化还原作用造成锈化及移行现象因 电位差的不同银比铜在电位差趋动力下容易发生银迁移(Silver Migratio

24、n) c. 碳墨贯孔(Carbon Through Hole)用纸质基板. 碳墨胶油墨中的石墨不具有像银的移行特性石墨所担当的角色仅仅是作简 单的讯号传递者所以PCB业界对积层板除了碳墨胶与基材的密着性翘 曲度外并没有特别要求.石墨因有良好的耐磨性所以Carbon Paste最早期 是被应用来取代Key Pad及金手指上的镀金而后延伸到扮演跳线功能 碳墨贯孔印刷电路板的负载电流通常设计的很低所以业界大都采用XPC 等级至于厚度方面在考虑轻薄短小与印刷贯孔性因素下常通选 用0.81.0或1.2mm厚板材 d. 室温冲孔用纸质基板 其特征是纸质基板表面温度约40以下即可作Pitch为1.78mm的

25、IC密 集孔的冲模孔间不会发生裂痕并且以减低冲模时纸质基板冷却所造成线 路精准度的偏差该类纸质基板非常适用于细线路及大面积的印刷电路板 e. 抗漏电压(Anti-Track)用纸质基板 人类的生活越趋精致对物品的要求且也就越讲就短小轻薄当印刷电路板 的线路设计越密集线距也就越小且在高功能性的要求下电流负载变大 了那么线路间就容易因发生电弧破坏基材的绝缘性而造成漏电纸质基板 业界为解决该类问题有供应采用特殊背胶的铜箔所制成的抗漏电压 用纸质基板 2.1.2 环氧树脂 Epoxy Resin 是目前印刷线路板业用途最广的底材在液态时称为清漆或称凡立水Varnish) 或称为 A-stage 玻璃布

26、在浸胶半干成胶片后再经高温软化液化而呈现黏着性而用于双面基板制作或多层板之压合用称 B-stage prepreg ,经此压合再硬化而无法回复之最终状态称为 C-stage 2.1.2.1传统环氧树脂的组成及其性质 用于基板之环氧树脂之单体一向都是Bisphenol A 及Epichlorohydrin 用 dicy 做为架桥剂所形成的聚合物为了通过燃性试验(Flammability test), 将上述仍在液态的树脂再与Tetrabromo-Bisphenol A 反应而成为最熟知FR-4 传统环氧树脂现将产品之主要成份列于后: 单体 -Bisphenol A, Epichlorohydri

27、n 9 资料收藏 PCB收藏天地 PCB制造流程及说明 架桥剂(即硬化剂) -双氰 Dicyandiamide简称Dicy 速化剂 (Accelerator)-Benzyl-Dimethylamine ( BDMA ) 及 2- Methylimidazole ( 2-MI ) 溶剂 -Ethylene glycol monomethy ether( EGMME ) Dimethy formamide (DMF) 及稀释剂 Acetone ,MEK 填充剂(Additive) -碳酸钙硅化物 及氢氧化铝 或 化物等增加难燃效果 填充剂可调整其Tg. A. 单体及低分子量之树脂 典型的传统树脂一

28、般称为双功能的环气树脂 ( Difunctional Epoxy Resin),见图3.2. 为了达到使用安全的目的特于树脂的分子结构中加入溴原子使产生部份碳溴之结合而呈现难燃的效果也就是说当出现燃烧的条件或环境时它要不容易被点燃万一已点燃在燃烧环境消失后能自己熄灭而不再继续延烧见图3.3.此种难燃材炓在 NEMA 规范中称为 FR-4(不含溴的树脂在 NEMA 规范中称为 G-10) 此种含溴环氧树脂的优点很多如介电常数很低与铜箔的附着力很强与玻璃纤维结合后之挠性强度很不错等 B. 架桥剂(硬化剂) 环氧树脂的架桥剂一向都是Dicey,它是一种隐性的 (latent) 催化剂 , 在高温16

29、0之下才发挥其架桥作用常温中很安定故多层板 B-stage 的胶片才不致无法储存 但 Dicey的缺点却也不少 第一是吸水性 (Hygroscopicity)第二个缺点是难溶性溶不掉自然难以在液态树脂中发挥作用早期的基板商并不了解下游电路板装配工业问题那时的 dicey 磨的不是很细其溶不掉的部份混在底材中经长时间聚集的吸水后会发生针状的再结晶, 造成许多爆板的问题当然现在的基板制造商都很清处它的严重性,因此已改善此点. C. 速化剂 用以加速 epoxy 与 dicey 之间的架桥反应 最常用的有两种即BDMA 及 2-MI D. Tg 玻璃态转化温度 高分子聚合物因温度之逐渐上升导致其物理

30、性质渐起变化由常温时之无定形或部份结晶之坚硬及脆性如玻璃一般的物质而转成为一种黏滞度非常高,柔软如橡皮一般的另一种状态传统 FR4 之 Tg 约在115-120之间已被使用多年但近年来由于电子产品各种性能要求愈来愈高,所以对材料的特性也要求日益严苛如抗湿性抗化性抗溶剂性抗热性 ,尺寸安定性等都要求改进,以适应更广泛的用途, 而这些性质都与树脂的 Tg 有关, Tg 提高之后上述各种性质也都自然变好例如 Tg 提高后, a.其耐热性增强 使基板在 X 及 Y 方向的膨胀减少使得板子在受热后铜线路与基材之间附着力不致减弱太多使线路有较好的附着力 b.在 Z 方向的膨胀减小后使得通孔之孔壁受热后不易被底材所拉断c. Tg 增高后其树脂中架桥之密度必定提高很多使其有更好的抗水性及防溶剂性使板子受热后不易发生白点或织纹显露而有更好的强度及介电性.至于尺寸的安定性,由于自动插装或表面装配之严格要求就更为重要了因而近年来如何提高环氧树脂之 Tg 是基板材所追求的要务 10 资料收藏 PCB收藏天地 PCB制造流程及说明 E. FR4 难燃性环氧树脂 传统的环氧树脂遇到高温着火后若无外在因素予以扑灭时 会不停